天文学家发现黑洞合并的“失落世界”

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天文学家们发现了“黑金”——一个黑洞合并的宝库。而这一发现，靠的是分析时空结构里的涟漪——也就是引力波。

这批海量的合并事件，收录在周二（5月26日）发布的《引力波瞬变目录-5.0》（GWTC-5）中，可能会改变我们对黑洞怎么相遇、怎么撞在一起的理解。最新目录包含161个新的引力波信号，这些信号是黑洞合并时发出的，被标志性的引力波探测器LIGO（激光干涉引力波天文台）、Virgo和KAGRA（神冈引力波探测器）在2024年4月到2025年1月底之间“听到”。

这样一来，靠引力波探测到的黑洞合并总数，就达到了390个。

GWTC-5的亮点，包括探测到了“第二代合并”——也就是两个黑洞撞在一起，而这两个黑洞本身是之前合并出来的。还有有史以来定位最准的一次合并事件。前者能帮我们搞明白合并链是怎么回事——就是黑洞怎么一步步长到太阳质量的几百万倍甚至几十亿倍。后者呢，可能帮我们找到一种办法，用这类事件和它们的引力波信号，去量一量宇宙膨胀得有多快。

“这次收获满满的更新，又让我们对宇宙的认识更广、更深了，还让我们更多地瞄到了宇宙里最难捉摸的东西：撞在一起的黑洞，”引力研究所研究员丹尼尔·威廉姆斯在一份声明中表示。“我们现在探测到的信号太多了，不光是在了解某一次碰撞；这在天文学上，就跟挖出一个古代文明差不多。”

“今天的新结果就像发现了一处此前未知的宝藏，不仅揭示了个体命运，还揭示了一个失落世界的全貌。”

什么是引力波？

引力波最早在1915年，由阿尔伯特·爱因斯坦在引力理论（即广义相对论）中首次提出。广义相对论认为，具有质量的物体会让时空（即空间和时间的四维统一体）发生弯曲。引力源于这种弯曲，也就是说，质量越大，时空曲率越大，引力作用越强。

不仅如此，广义相对论还指出，当物体在时空中加速时，会产生以光速向外扩散的涟漪：即引力波。尽管爱因斯坦最初预测了这种时空涟漪，但有一点他搞错了：他以为人类永远探测不到它们。

LIGO于2015年第一次探测到引力波；该信号来自大约13亿光年之外两个巨大黑洞的碰撞合并。此后，LIGO和它的伙伴探测器Virgo和KAGRA一起，探测到了来自很多对黑洞合并、很多对超致密中子星合并——甚至黑洞与中子星之间的混合型合并所产生的引力波。

近年来，引力波探测器的灵敏度不断提升，在停工期之间允许灵敏度进一步提升的观测运行阶段，目前探测频率已达到每周三到四次。

“就在10年前，我们首次探测到了这类事件产生的引力波，而现在我们能够探测并分析数百个此类事件，这确实是对全球数百名科学家工作的最好证明，”威廉姆斯说。

引力波探测引发关注

GWTC-5数据重要性的两个令人印象深刻的例子，分别是2024年10月11日探测到的GW241011信号和2024年11月11日探测到的GW241110信号。它们是距离地球7亿光年和24亿光年的两次并合事件的结果，所涉及黑洞的快速自转及其自转方向表明，这四个黑洞是第二代天体，意味着它们是由先前并合产生的。

“这两次观测显示出特征性迹象，表明每对中较大的黑洞并非直接由大质量恒星形成，而是由先前两个黑洞并合而成，”引力研究所的科洛姆斯在声明中表示。“这些由先前并合形成的黑洞特征，在整个群体中依然可见，表明GW241011和GW241110并非个例，而是反映了一种潜在趋势。现在，我们有越来越多的证据表明，除了来自大质量双星系统的黑洞之外，宇宙还有其他方式产生并合黑洞。”

这表明这两次并合发生在恒星分布非常密集的环境中，这给研究带来了难度，因为要把引力波信号追溯回它的源头，并不容易。但并非总是这样，正如2024年6月15日探测到的GW240615信号所展示的那样。

该信号是一个26倍太阳质量的黑洞与一个30倍太阳质量的黑洞在超过30亿光年之外并合的结果，引力波天文学家成功将GW240615定位到天空中仅6平方度的区域。这使得GW240615成为迄今为止定位最精确的引力波信号。

“更新后的GWTC-5.0目录为我们提供了更大规模的引力波信号集合，有助于解答宇宙学中最大的问题之一：宇宙膨胀的速度有多快？”引力研究所的亚历克斯·帕帕多普洛斯在声明中表示。“这个膨胀速度用哈勃常数来描述。引力波让我们能通过估算并合天体之间的距离来测量它，要么直接看信号，要么找到并合发生的星系。

“每个事件都能提供一点信息，所以这些额外的信号加在一起，让我们的结果准确了不少。这些改进加在一起，让我们用引力波测哈勃常数，比以往任何时候都更准，使我们更接近理解现代物理学中最重要的开放问题之一。”

这份最新目录里，同样抢眼的还有2025年1月14日捕捉到的引力波信号GW250114。据信，这是约10亿光年外，一个34倍太阳质量的黑洞撞上并吞并了另一个32倍太阳质量的黑洞。这信号清晰得不得了，让研究人员不光做了史上最精准的广义相对论检验，还顺带验证了霍金提出的黑洞面积定理。

“靠着GW250114这么响的信号，我们就能拿合并前后的扭曲时空做对比，结果发现事件视界（就是黑洞困住光的外边界）的总面积，按霍金那套黑洞力学定律是变大了，”格拉斯哥大学的约翰·维奇在声明中表示。“合并完，最后那个黑洞就跟敲钟似的嗡嗡响，不过放出来的是引力波，不是声音。分析这些波就确认了，虽说合并时能量会以引力波形式散出去，但黑洞的总熵还是按热力学第二定律往上涨。”

“这说明，就算黑洞也逃不过热力学定律，不过跟普通东西不一样，它们攒的能量越多，反而越冷。”

LIGO、Virgo和KAGRA这几个探测器，八成还会继续搞出新的引力波发现，把我们对宇宙和那些最猛爆事件的认知再翻新一遍。这些探测器打算今年晚些时候启动一轮六个月的中期观测（IR1）。这样一来，就能把2025年11月18日收尾的第四轮观测，跟2028到2031年才开跑的第五轮观测之间的空档给接上。

引力波的前途亮得很——或者该说“响得很”？